Zahlreiche Naturphänomene, wie der Regenbogen oder die Fata Morgana, und das optische System Auge lassen sich mittels der Gesetze der Lichtbrechung verstehen. Die Gesetze der Brechung und Reflexion sind die Grundlage für die Konstruktion optischer Geräte von der Brille bis zum Spiegelteleskop. 63.1 Wenn Licht allzu schräg aus Wasser auf die Grenzfläche zur Luft trifft, tritt Totalreflexion ein. 63.2 Totalreflexion eines Lichtstrahls in einer Glasfaser. Der Kern der Glasfaser ist von einem Mantel mit kleinerer Brechzahl umgeben. Glasfaserkern Glasfasermantel 63.3 Prinzip eines Endoskops Lichtleiter Bildleiter Objekt Darm Okular Lichtquelle 63.4 Aufbau eines modernen Endoskops (Bild oben: Endstück; unten: Querschnitt) Kanal für Mikrowerkzeuge CCD-Chip Licht Arbeitskanal Lichtübertragungsfasern Elektrisches Video-Kabel Mechanische Steuerdrähte 63.5 Infolge der atmosphärischen Brechung scheinen Sterne höher (L1) über dem Horizont zu sein als sie es tatsächlich sind (L2). L1 L2 B Totalreflexion und Lichtleiter Wir betrachten den Übergang von Wasser in Luft. Was passiert, wenn wir den Einfallswinkel des aus dem Wasser kommenden Lichtbündels kontinuierlich vergrößern? Bei einem bestimmten Winkel wird das Bündel parallel zur Grenzfläche gebrochen. Bei noch größeren Einfallswinkeln wird er in das Wasser zurückreflektiert (63.1). Man spricht in diesem Fall von Totalreflexion, der entsprechende Einfallswinkel βG heißt Grenzwinkel der Totalreflexion. Totalreflexion kann nur beim Übergang von Licht in ein Medium mit kleinerer Brechzahl auftreten. Untersuche, überlege, forsche: Totalreflexion 63.1 E2 Setze in der Gleichung sin sin α _ sin β = n für α = 90° und für n die Brechzahlen für Wasser bzw. für Glas ein. Berechne jeweils β. Stelle eine Formel zur Berechnung des Grenzwinkels auf! Überprüfe deine Ergebnisse mittels Experiment. Glasfaserkabel werden zur Übertragung von Information genutzt. Sie bestehen aus haarfeinen Glas-(oder Kunststoff-)fasern (Durchmesser 0,125 mm), deren Kern von einem Mantel mit niedrigerem Brechungsindex umhüllt ist und die durch eine Schutzhülle gegen mechanische Beschädigungen geschützt sind (63.2). Durch Totalreflexion wird Licht im Inneren der Faser auch um Biegungen geleitet. Die Daten werde digital als kurze Lichtimpulse gesendet. Durch Verwendung verschiedener Frequenzen lässt sich die Datenrate erhöhen. Aktuell können mehrere Terabit pro Sekunde übertragen werden. Glasfaserkabel dienen auch der Datenübertragung zwischen Kontinenten. Das wurde erst möglich, als es gelang, hochreines Glas herzustellen, in dem sich Licht mit minimaler Dämpfung ausbreiten kann. (Für die Entwicklung der Grundlagen dazu erhielt 2009 der chinesische Physiker C. Kao den Nobelpreis.) Neben den Anwendungen in der Nachrichtentechnik werden Glasfaserkabel zur Datenübertragung zwischen Großrechnern und deren Peripheriegeräten, in Bordsystemen an Flugzeugen, Schiffen, Kraftfahrzeugen, in der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik sowie für Kabelfernsehen verwendet. Glasfaserkabel werden in der Medizin für endoskopische Untersuchungen eingesetzt. Mit Glasfasern wird der zu untersuchende Bereich (z. B. der Magen) beleuchtet. Über ein weiteres Kabel, den Bildleiter, wird das Bildsignal vom Objektiv an der Endoskopspitze nach außen geleitet (63.3, 63.4). Dieses Kabel besteht aus vielen Tausenden Glasfasern, von denen jedes ein Helligkeits- und Farbsignal liefert, so dass in der Gesamtheit ein Bild entsteht. Statt des Bildleiters kann auch ein elektrisches Kabel mit einem lichtempfindlichen elektronischen Bauelement (CCD-Sensor) verwendet werden. Untersuche, überlege, forsche: Glasfaserkabel 63.2 W4 Recherchiere, welche technischen Probleme es gibt, wenn die Lichtimpulse über lange Strecken geleitet werden. Warum ersetzt man nicht alle Kupferkabel durch Glasfaserkabel? 63.3 W4 Glasfaserkabel werden zur Datenübertragung zwischen den Kontinenten verwendet. Welche Verbindungen bestehen aktuell? Beschreibe, welche Probleme bei dieser Form der Übertragung auftreten. Welche anderen Übertragungsmöglichkeiten gibt es? Welchen Vorteil bietet die Übertragung mit Glasfaserkabeln? 63 1 Reflexion und Brechung Elektromagnetische Wellen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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